俞 萍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

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(168+300+168)m連續(xù)鋼桁矮塔斜拉橋方案設計

俞 萍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

以米家川特大橋工程為例，從主桁結構、主塔構造、橋墩構造、基礎設計四方面，介紹了主橋的結構構造，并結合主橋外部主要荷載，分析了該橋的剛度、強度以及穩(wěn)定性，結果表明，該橋所用的鋼管混凝土高墩連續(xù)鋼桁矮塔斜拉橋橋型結構是合理的。

矮塔斜拉橋，連續(xù)鋼桁梁，結構構造，主墩

山區(qū)鐵路選線地形復雜，鐵路橋隧相連，而高速鐵路因最小半徑要求很大，常規(guī)鐵路橋梁方案很難適應高速鐵路的需要；而控制性橋梁對高速鐵路建設投資、工期又有很大影響。本文結合銀西鐵路控制工程米家川特大橋主橋(168+300+168)m連續(xù)鋼桁梁矮塔斜拉橋設計，根據(jù)對墩高172 m，主跨300 m連續(xù)鋼桁矮塔斜拉橋的整體構思及分析計算成果，介紹了該橋的主要構造尺寸擬定及其材料選擇、全橋靜力、動力分析、剛度控制及穩(wěn)定性分析等，得出了鋼管混凝土高墩連續(xù)鋼桁矮塔斜拉橋橋型合理的結論。該結論對類似工程具有一定參考和指導價值。

1 概況

1.1 橋型概述

米家川特大橋位于甘肅慶陽地區(qū)，為銀西鐵路的控制工程。本橋橋高172 m，跨越米家川溝，主橋采用(168+300+168)m雙塔雙索面連續(xù)鋼桁矮塔斜拉橋。全橋位置線，橋面縱坡1.28%，橋上為雙線鐵路，橋面全寬12.6 m。該斜拉橋采用墩塔梁體系，斜拉索扇形布置，梁上索距12 m，塔上索距2.0 m。橋墩采用四柱型鋼管混凝土墩。

1.2 外部環(huán)境

橋址區(qū)年平均氣溫10 ℃，極端最高氣溫36.4 ℃，極端最低氣溫-22.6 ℃；最大風速22.5 m/s。地震動峰值加速度為0.05g，動反應譜特征周期為0.45 s，相當于地震基本烈度6度。經(jīng)現(xiàn)場波速測井(C3Z-27)得剪切波速為Vse=260.3，根據(jù)GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規(guī)范(2009版)場地劃分為Ⅱ類。

2 主橋結構構造

2.1 主桁結構

1)主梁縱向。主梁采用連續(xù)鋼桁梁，桁高15.0 m，桁式為無豎桿三角形桁架；主桁節(jié)間中心距12 m，雙線鐵路線間距5.0 m。節(jié)間內距為12.6 m，如圖1所示。

2)主桁橫向。下平聯(lián)每節(jié)間主桁節(jié)點處設置一根大橫梁，每節(jié)間中心處增設一根次橫梁，不設縱梁。 采用密布橫梁整體正交異性鋼橋面系：正交異性板整體橋面結構，由縱肋、橫梁與鋼橋面板焊連成整體；順橋向每隔6.0 m設一道橫梁。正交異性鋼橋面板采用16 mm鋼板，與箱型下弦桿的上水平板焊連。其下部設置間距600 mm的U型縱肋，遇橫梁腹板時斷開，如圖2所示。

3)基本桿件構造。上下弦桿采用箱型截面，腹桿的基本截面形式采用H型截面，與主桁節(jié)點采用插入方式連接；少量桿件較長、壓力較大的腹桿采用箱型截面，與主桁節(jié)點采用四面對接的方式連接?；緱U件構造尺寸如表1所示。

表1 結構縱橫向變形及限值表

2.2 主塔構造

主塔采用造型簡潔的直塔結構，橋面以上部分為分離的兩個橋塔，塔柱為空心鋼管截面，順橋向間距12.0 m，橫橋向間距19.0 m，主塔橋面以上有效結構高度59 m。斜拉索的傾角較小，最小傾角為19°，最大傾角為48°。塔柱直徑2.5 m厚度5 cm的鋼管，斜拉索采用外徑11 cm的鋼絞線，其構造大樣如圖3所示。

2.3 橋墩構造

主墩構造。主墩采用鋼管混凝土橋墩，鋼管混凝土利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用，充分發(fā)揮兩種材料的力學性能，即管內混凝土受到鋼管緊箍作用處于三向受壓狀態(tài)，強度和延性進一步提高。同時，管內混凝土的存在可以避免鋼筋過早發(fā)生局部屈曲，保證其高強力學性能得到充分發(fā)揮。本橋由4根直徑250 cm～320 cm的主管以及直徑100 cm的連接管組成，其構造大樣如圖4所示，構造尺寸如圖5所示。

2.4 基礎設計

主墩基礎采用42根φ3.0 m柱樁，樁長60 m，嵌入巖石10 m。計算參數(shù)：水平地基比例系數(shù)m=20 000，基本承載力σ0=800 kPa，巖石單軸抗壓強度R=8 000 kPa。樁基布置平面及其與墩底鋼管的關系如圖6所示。

3 主橋外部主要荷載

自重：主桁鋼材容重按98.4 kN/m3考慮，其他桿件容重按90.3 kN/m3考慮。鋼管混凝土按組合材料確定。二期恒載按180 kN/m計算，包括線路及橋面上設備。列車活載采用ZK荷載。擬定橋梁施工溫度為10 ℃，根據(jù)橋址氣象資料，溫度力按升溫25 ℃，降溫35 ℃考慮。風力按TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規(guī)范中4.4.1條執(zhí)行。

4 主要計算結果

4.1 計算模型

采用MIDAS CIVIL2010建模分析,全橋共分為3 232個節(jié)點，6 243個單元,其中80個拉索單元，5 633個梁單元，530個板單元，計算模型如圖7所示。

模型中承臺底采用節(jié)點彈性支撐，其6個方向的支撐剛度則根據(jù)樁基布置其地基土層的特性計算，計算結果如表2所示。

表2 承臺底剛度表

4.2 自振特性分析

因《高速鐵路規(guī)范》中僅給出了跨度不大于96 m的混凝土梁部自振頻率的限值。本橋超出了規(guī)范的范疇。因此，通過國內外多座大跨度斜拉橋的主梁豎彎基頻的統(tǒng)計，最終得到豎彎基頻近似公式：f=C/L。其中，L為主跨跨徑，m；C為統(tǒng)計系數(shù)，本橋擬取值105；f=0.35。采用軟件MIDAS進行橋梁的模態(tài)分析，總共獲取了橋梁的前80階模態(tài)，其中前10階模態(tài)的頻率值和振型描述如表3所示。

表3 結構自振特性表

4.3 剛度指標

1)全橋主要剛度。如圖8所示，在靜活載作用下，跨中撓度28.7 cm，撓跨比1/1 060，邊跨撓度5.0 cm，撓跨比1/3 360，梁端轉角1.7‰ rad。

2)橋塔剛度。塔頂位移見表4。

表4 塔頂位移表

4.4 強度計算

1)主桁桿件最大軸向力為1.78e+004 kN及-3.45e+004 kN，最大軸向應力為98.7 MPa及-132.9 MPa。2)鋼管混凝土主墩最大軸力為7.4e+003 kN及-8.4e+004 kN；最大軸向應力16.7 MPa及-48.7 MPa。3)橋塔最大軸力為1.19e+004 kN及-2.55e+

004 kN；最大軸向應力8.06 MPa及-6.41 MPa。

4.5 穩(wěn)定分析

穩(wěn)定分析又叫屈曲分析，MIDAS的線性屈曲分析功能主要用于求解由桁架單元、梁單元或者板單元構成的結構的臨界荷載系數(shù)和對應的屈曲模態(tài)。臨界荷載和屈曲模態(tài)意味著所輸入的臨界荷載作用到結構時，結構就發(fā)生與屈曲模態(tài)相同形態(tài)的屈曲。

橋墩成橋狀態(tài)一階屈曲模態(tài)見圖9，成橋階段一類穩(wěn)定性分析失穩(wěn)模態(tài)見表5。

表5 成橋階段一類穩(wěn)定性分析失穩(wěn)模態(tài)

模態(tài)階數(shù)1234穩(wěn)定安全系數(shù)K44.451.355.966失穩(wěn)模態(tài)邊跨側下層豎向腹桿順橋向向內側彎曲主跨側下層豎向腹桿順橋向向內側彎曲整體順橋向彎曲下面第三層腹桿向外側順橋向彎曲

主墩成橋后，彈性穩(wěn)定安全系數(shù)在44以上，遠大于 4，整體穩(wěn)定不控制設計。

5 結語

米家川特大橋(168+300+168)m連續(xù)鋼桁矮塔斜拉橋，是銀西可研東方案主推橋型。本文中該橋主要構件形狀及尺寸的選取，均是通過多方案比選后的最終結果。并且通過介紹了全橋控制性的分析過程和計算結果，得出的結論是該橋型在結構上是合理的，希望對在高速鐵路中高墩大跨橋梁的橋型選擇提供一定的參考價值。

[1] TB 10002.1—2005，鐵路橋涵設計基本規(guī)范[S].

[2] TB 10621—2014，高速鐵路設計規(guī)范[S].

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Schematic design on(168+300+168)m short-pylon cable-stayed bridge with continuous steel trusses

Yu Ping

(ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Xi’an710043,China)

Taking Mijiachuan extra-large bridge engineering as an example, starting from four aspects of major truss structure, major tower structure, bridge pier structure and foundation design, the paper introduces the major bridge structure, analyzes the bridge rigidity, strength and stability by combining with the external bridge load. Results show that: the short-pylon cable-stayed bridge structure with continuous steel trusses is rational.

short-pylon cable-stayed bridge, continuous steel truss, structure, major pier

1009-6825(2016)10-0185-03

2016-01-25

俞 萍(1981- )，女，工程師

U448.27

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